Matlab電力系統(tǒng)工具箱在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真中的應(yīng)用.pdf

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1、萬方數(shù)據(jù)Matlab電力系統(tǒng)工具箱在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真中的應(yīng)用周兆慶，陳星鶯(河海大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210098)摘要：研究了Matlab6．0中電力系統(tǒng)工具箱SPS(simPowerSvstems)用于機(jī)電暫態(tài)仿真的可行性。相比于上一版本PSB(P0werSvstemBlockset)，SPS針對機(jī)電暫態(tài)仿真的特點(diǎn)，在算法上采用了濾去直流與諧波分量計(jì)算的相量法．應(yīng)用自適應(yīng)變步長技術(shù)避免了通過試算確定仿真步長的繁瑣工作，簡化了工作量。陳述了SPS機(jī)電暫態(tài)仿真的主要步驟，并分別對單機(jī)無窮大系統(tǒng)和WSCC一9三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了小擾動(dòng)和大擾動(dòng)下的功角

2、穩(wěn)定仿真，同時(shí)討論了其仿真環(huán)境的設(shè)置與加速技巧。結(jié)果表明，SPS可用于電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)分析。且提高了仿真速度。關(guān)鍵詞：仿真；機(jī)電暫態(tài)；Matlab；SPS；相量法中圖分類號：TM743；TP391．9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006—6047(2005)04一0051一040引言Matlab是美國Mathworks公司推出的適用于多種學(xué)科的大型仿真軟件。Matlab環(huán)境下的Simulink是用于對復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真的圖形化交互式平臺。運(yùn)行于Simulink下的PSB(PowerSvstemBlockset)是針對電力系統(tǒng)的工具箱．從Matlab6．

3、O開始它被重新命名為SPS(SimPowerSvstems)。該工具箱的研究領(lǐng)域是用微分方程刻畫的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程．如電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)分析以及電力電子設(shè)備的仿真，目前尚不包含狀態(tài)估計(jì)、連續(xù)潮流、最優(yōu)潮流等穩(wěn)態(tài)分析?。國內(nèi)常用的電力系統(tǒng)仿真軟件是中國電力科學(xué)研究院的綜合程序PSASP[2-，它涵蓋了電力系統(tǒng)分析的常見功能．并允許用戶按照自己的需要設(shè)計(jì)特殊的模型而無須了解PSAsP內(nèi)部結(jié)構(gòu)和編程設(shè)計(jì)的條件．但是用戶建模時(shí)的數(shù)據(jù)環(huán)境必須使用系統(tǒng)表內(nèi)規(guī)定的信息，所以在仿真較復(fù)雜的控制手段時(shí)靈活性較差[3]。與PSASP相比SPS建模方便靈活。在Simulink環(huán)

4、境下SPS可以結(jié)合其他功能強(qiáng)大的工具箱構(gòu)造出令人滿意的模型，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜控制的仿真，SPS還允許用戶使用現(xiàn)有的基本功能模塊與自己編制的算法生成自定義模塊并將其加入到元件庫中，從而最大限度地減少模型誤差、提高精度。Matlab5．x中的PSB以適用于電磁暫態(tài)仿真的詳細(xì)算法解算機(jī)電暫態(tài)過程，仿真結(jié)果雖然詳細(xì)但速度過于緩慢?。以往國內(nèi)更多地使用它進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真．對機(jī)電暫態(tài)仿真討論的較少[4]。從Matlab6．O開始．SPS具備了針對機(jī)電暫態(tài)仿真的算收稿日期：2004一12—10法．本文就此研究了利用SPS進(jìn)行電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真的可行性，并對仿真環(huán)境的設(shè)置與加

5、速技巧進(jìn)行了討論。通過穩(wěn)定仿真的實(shí)例證實(shí)了SPS在繼承PsB建模方便直觀的基礎(chǔ)上．對算法作了合理的化簡．仿真速度較PSB有了很大的提高，同樣適用于機(jī)電暫態(tài)仿真。1SPS工具箱分析1．1PSB模型與算法特點(diǎn)電力系統(tǒng)暫態(tài)可分為毫秒級的電磁暫態(tài)和秒級的機(jī)電暫態(tài)，兩者在分析時(shí)采用了不同的假設(shè)：前者在電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的假設(shè)下計(jì)算電氣量，后者忽略了對轉(zhuǎn)矩影響很小的直流與諧波分量。為了提高仿真速度并避免微分方程的剛性問題，在PSAsP中這兩種仿真的模型與算法均是分開的。SPS與PSB則未做此劃分，它們對兩種暫態(tài)的計(jì)算使用同一組元件模型。以發(fā)電機(jī)為例，標(biāo)準(zhǔn)模型的微分方程組除了

6、包含發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電勢與機(jī)械運(yùn)動(dòng)共六階之外還有定子暫態(tài)兩階[1．5]。PSB機(jī)電暫態(tài)仿真時(shí)采用與電磁暫態(tài)仿真相同的詳細(xì)算法解算．其算法有連續(xù)法和離散法兩種，它們建立在最基本的電路原理和微分方程求解的基礎(chǔ)之上，在每一個(gè)周期內(nèi)均采用微秒級的仿真步長(10一s秒級)。逐點(diǎn)求取基波、直流與諧波分量，故障情況下電機(jī)定子電流中會(huì)出現(xiàn)直流與高次諧波分量，電磁功率曲線帶有小幅波動(dòng)[3]。此時(shí)，PSB實(shí)質(zhì)上是在進(jìn)行電磁與機(jī)電暫態(tài)的混合仿真，在較短時(shí)間內(nèi)可以獲得電磁暫態(tài)仿真結(jié)果，但由于機(jī)電暫態(tài)過程暫態(tài)時(shí)間長、狀態(tài)變量多，即使是對規(guī)模很小的系統(tǒng)仿真一次也要耗費(fèi)數(shù)十小時(shí)[3]，嚴(yán)重制

7、約了PSB在機(jī)電暫態(tài)仿真中的應(yīng)用。萬方數(shù)據(jù)1．2SPS相對于PSB的改進(jìn)SPS采用的模型與PSB相同，但在解算方法上作了改進(jìn)。PSB仿真過程中存在直流與諧波分量的計(jì)算，兩種分量對電磁暫態(tài)有意義而對機(jī)電暫態(tài)則貢獻(xiàn)很小[剛，為求取它們必須采用微秒級的步長，造成PSB機(jī)電暫態(tài)仿真速度緩慢。對此SPS增加了濾去直流與諧波分量計(jì)算的相量法，取消了電氣狀態(tài)量不能躍變的約束，將計(jì)算內(nèi)容固定為額定頻率下的交流量，仿真步長因此可由微秒級提高至毫秒級，從而減少了仿真步數(shù)、縮短了仿真時(shí)間。求解相量方程時(shí)SPS采用了隱式梯形法，將微分方程在每一時(shí)步上差分化為代數(shù)方程，同潮流方程一

8、道用牛拉法解算，這不但克服了微分與代數(shù)方程之間的交接誤差而且具有良